Tài liệu Giáo trình điện tử công suất

CHƯƠNG 1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như các khoá điện tử, gọi là các van bán dẫn; khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khoá thì ngắt tải ra khỏi nguồn, không cho dòng điện chạy qua. Các van bán dẫn có thể đóng cắt được dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn là điều vô cùng quan trọng để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể. Tính năng kỹ thuật chủ yếu của các phần tử bán dẫn công suất thể hiện qua khả năng chịu điện áp và các đặc tính liên quan tới quá trình đóng cắt cũng như vấn đề điều khiển chúng. Các phần tử bán dẫn công suất đều có những đặc tính cơ bản chung đó là: - Các van bán dẫn chỉ làm việc trong chế độ khoá, khi mở cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất nhỏ, khi khoá không cho dòng chạy qua thì có điện trở tương đương rất lớn. Nhờ đó tổn hao công suất trong quá trình làm việc sẽ có giá trị rất nhỏ. - Các van bán dẫn chỉ dẫn dòng theo một chiều khi phần tử được đặt dưới điện áp phân cực thuận. Khi điện áp đặt lên phần tử phân cực ngược, dòng qua phần tử chỉ có giá trị rất nhỏ, cỡ mA, gọi là dòng rò. Về khả năng điều khiển, các van bán dẫn được phân loại thành: - Van không điều khiển, như điôt. - Van có điều khiển, trong đó lại phân ra: + Điều khiển không hoàn toàn, như tiristo, triac. + Điều khiển hoàn toàn, như bipolar tranzito, MOSFET, IGBT, GTO. 1.1 ĐIÔT Điôt là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Điôt có hai cực, anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu n. Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK dương. Khi UAK âm, dòng qua điôt gần như bằng không. Cấu tạo và ký hiệu của điôt biểu diễn trên hình 1.1. Anôt A p n D Catôt a) K b) Hình 1.1. Điôt: a) Cấu tạo; b) Ký hiệu 1.1.1 Cấu tạo của điôt Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một điôt. Ở nhiệt độ môi trường, các điện tử tự do trong lớp bán dẫn n khi khuếch tán sang lớp bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi các ion dương ở đây. Do các điện tích trong vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn nhau nên vùng này trở nên nghèo điện tích, hay là vùng có điện trở lớn. Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp các điện tử hoá trị ngoài cùng, tạo nên các ion âm. Các ion này nằm 1 trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được. Kết quả tạo thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở phía lớp n. Các điện tích của tụ này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang vùng p. Điện trường E cũng tạo nên một rào cản Uj với giá trị không đổi ở một nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt độ 25 0C (hình 1.2). Các điôt công suất được chế tạo chịu được một giá trị điện áp ngược nhất định. Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo giống như lớp n, nhưng ít điện tử tự do hơn. Khi lớp tiếp giáp p-n - được đặt dưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang vùng n - điện trở tương đương của điôt càng lớn và dòng điện không thể chạy qua. Toàn bộ điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng nghèo điện tích. Ta nói rằng điôt bị phân cực ngược (hình 1.3a). Vùng nghèo điện tích E p n Uj Hình1.2. Sự tạo thành điện thế rào cản trong tiếp giáp p-n n- na) b) Hình 1.3. Sự phân cực của điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận Khi điện áp bên ngoài tạo ra điện trường ngoài có hướng ngược với điện trường trong E, vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹp lại. Nếu điện áp bên ngoài đủ lớn hơn Uj, cỡ 0,65V, vùng nghèo điện tích sẽ thu hẹp bằng không và các điện tích có thể di chuyển tự do qua cấu trúc tinh thể của điôt. Dòng điện chạy qua điôt lúc này sẽ chỉ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài và một phần điện trở trong điôt bao gồm điện trở của tinh thể bán dẫn giữa anôt và catôt, điện trở do phần kim loại làm dây dẫn ra ngoài và điện trở do tiếp xúc giữa phần kim loại và bán dẫn. Ta nói điôt được phân cực thuận (hình 1.3b). 1.1.2 Đặc tính vôn-ampe của điôt Một số tính chất của điôt trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua việc xem xét đặc tính vôn-ampe của điôt trên hình 1.4a. Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư III tương ứng với UAK < 0. Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dòng có thể chảy qua điôt. Dòng điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên diôt UAK hầu như ít thay đổi. Như vậy đặc tính thuận của điôt đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ. 2 Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị Ung.max, gọi là điện áp ngược lớn nhất thì dòng điện qua điôt vẫn có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò, nghĩa là điôt cản trở dòng điện theo chiều ngược. Cho đến khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điôt tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược của điôt bị phá vỡ. Quá trình này không có tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anôtcatôt thì dòng điện vẫn không giảm. Ta nói điôt đã bị đánh thủng. Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính toán, người ta thường dùng đặc tính khi dẫn dòng, tuyến tính hoá điôt như được biểu diễn trên hình 1.4b. Đặc tính này có thể biểu diễn qua công thức: u D  U D.0  r D .I D trong đó r D  U là điện trở tương đương của điôt khi dẫn dòng. I D Đặc tính vôn-ampe của các điôt thực tế sẽ khác nhau, phụ thuộc vào dòng điện cho phép chạy qua điôt và điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu được. Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên hình 1.4c được sử dụng nhiều hơn cả. Theo đặc tính lý tưởng, điôt có thể cho một dòng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, điôt có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khoá bằng . iD iD U ng. max U D.0 U D.0 U D.0 Hình 1.4. Đặc tính vôn-ampe của điôt: a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng 1.1.3 Các thông số cơ bản của một điôt 1. Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua điôt theo chiều thuận, ID Trong quá trình làm việc, dòng điện chạy qua điôt sẽ phát nhiệt làm nóng tinh thể bán dẫn của điôt. Công suất phát nhiệt bằng tích của dòng điện chạy qua điôt với điện áp rơi trên nó. Điôt chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anôt đến catôt, điều này nghĩa là công suất phát nhiệt tỷ lệ với giá trị trung bình của dòng điện. Vì vậy dòng điện ID là thông số quan trọng để lựa chọn điôt cho một ứng dụng thực tế. 2. Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chiụ được, Ung.max Thông số thứ hai quan trọng để lựa chọn điôt là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu đựng được. Như đặc tính vôn-ampe đã chỉ ra, quá trình điôt bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, vì vậy trong mọi ứng dụng phải luôn đảm bảo rằng UAK < Ung.max. 3 3. Tần số Quá trình phát nhiệt trên điôt cũng phụ thuộc vào tần số đóng cắt của điôt. Trong quá trình điôt mở ra hoặc khoá lại, tổn hao công suất tức thời u(t), i(t) có giá trị lớn hơn lúc điôt dẫn dòng hoặc đang bị khoá. Vì vậy nếu tần số đóng cắt cao hoặc thời gian đóng cắt của điôt so sánh được với khoảng thời gian dẫn dòng thì tổn thất trên điôt bị quy định chủ yếu bởi tần số làm việc mà không phải giá trị trung bình của dòng điện. Các điôt được chế tạo với tần số làm việc khác nhau, do đó tần số là một thông số quan trọng phải lưu ý khi lựa chọn điôt. 4. Thời gian phục hồi tr và điện tích phục hồi Qr Các điôt khi khoá lại có dòng ngược để di chuyển lượng điện tích Qr ra khỏi cấu trúc bán dẫn, phục hồi khả năng khoá của mình. Thời gian phục hồi tr có thể bị kéo dài, làm chậm lại quá trình chuyển mạch giữa các van. Dòng điện ngược có thể tăng xung dòng trên các van mới mở ra với biên độ có thể rất lớn. Hơn nữa thời gian phục hồi cũng làm tăng tổn thất trong quá trình đóng cắt các van. Những lý do như trên khiến ta phải đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng của tr trong những trường hợp cụ thể. Để giảm thời gian chuyển mạch có thể phải sử dụng loại điôt có tr rất ngắn, cỡ s. Tuy nhiên khi đó dòng điện ngược thay đổi quá nhanh, có thể gây nên điện áp rất lớn trên những mạch điện có điện cảm. Tóm lại không nên nghĩ rằng điôt là một phần tử rất đơn giản mà bỏ qua quá trình khoá lại của điôt. 1.2 TIRISTO Tiristo là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3. Tiristo có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình 1.5. Q1 n+ Q2 J3 J2 J1 Hình 1.5. Tiristo: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu 1.2.1 Đặc tuyến vôn-ampe của tiristo Đặc tính vôn-ampe của tiristo gồm hai phần (hình 1.6). Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0. 1. Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0) Khi dòng vào cực điều khiển của tiristo bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển tiristo sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anôt-catôt. Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của tiristo, hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy tiristo sẽ giống như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua tiristo chỉ có một dòng điện nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng tiristo bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điôt, quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức Ung.max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Tiristo đã bị hỏng. 4 Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anôt-catôt vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mạch anôtcatôt độ ngột giảm, dòng điện chạy qua tiristo sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó iV I G 3 I G 2 I G1 U ng. max i dt U v.thU th. max Hình 1.6. Đặc tính vôn-ampe của tiristo dòng qua tiristo lớn hơn mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó tiristo sẽ dẫn dòng trên đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điôt. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính dẫn dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anôt-catôt nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện. 2. Trường hợp có dòng vào cực điều khiển (IG > 0) Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catôt, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Điều này được mô tả trên hình 1.6 bằng những đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,… Nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn. Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0. 1.2.2 Mở, khoá tiristo Tiristo có đặc tính giống điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ anôt đến catôt, và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên khác với điôt, để tiristo có thể dẫn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác. Do đó tiristo được gọi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được. 1. Mở tiristo Khi được phân cực thuận, UAK > 0, tiristo có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có thể tăng điện áp anôt-catôt cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, điện trở tương đương trong mạch anôt-catôt sẽ giảm đột ngột và dòng qua tiristo sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Ung.max. Và lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp tiristo tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước. Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catôt. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của tiristo từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anôtcatôt nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anôt-catôt lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì tiristo sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại 5 của xung dòng điều khiển. Điều này có nghĩa là có thể mở các tiristo bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà tiristo là phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện. 2. Khoá tiristo Một tiristo đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khoá (điện trở tương đương mạch anôtcatôt tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống nhỏ hơn dòng duy trì, Idt. Tuy nhiên để tiristo vẫn ở trạng thái khoá, với trở kháng cao, khi điện áp anôt-catôt lại dương (UAK > 0), cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình. Khi tiristo dẫn dòng theo chiều thuận, UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3, phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chạy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3. Để khoá tiristo lại cần giảm dòng anôt-catôt về dưới mức dòng duy trì (Idt) bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anôt và catôt của tiristo. Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anôt-catôt (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, tr, chỉ sau đó tiristo mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều. Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa catôt và anôt. Dòng điện ngược này di chuyển các điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J1, J3 được phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di chuyển ra ngoài cấu trúc bán dẫn của tiristo và nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó. Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của tiristo. Thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của tiristo. Thời gian phục hồi tr, có giá trị cỡ 5 – 50 s đối với các tiristo tần số cao và cỡ 50 – 200 s đối với các tiristo tần số thấp. 1.2.3 Các thông số cơ bản của tiristo 1. Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristo, Iv Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristo với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của tiristo không vượt quá giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua tiristo còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Tiristo có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra, tiristo có thể phải được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng toả ra nhanh hơn. Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần sau, tuy nhiên có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau: - Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến một phần ba dòng Iv. - Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng bằng hai phần ba dòng Iv. - Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng 100 dòng Iv. 2. Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung.max Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên tiristo. Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anôt-catôt UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó. 3. Thời gian phục hồi tính chất khoá của tiristo, tr (s) 6 Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anôt-catôt của tiristo sau khi dòng anôt-catôt đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà tiristo vẫn khoá. Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của tiristo, nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc là nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khoá phải bằng 1,5 đến 2 lần tr. dU 4. Tốc độ tăng điện áp cho phép, (V / s) dt Tiristo được sử dụng như một phần tử điều khiển, nghĩa là mặc dù được phân cực thuận (UAK>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua. Khi tiristo được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như được chỉ ra trên hình 1.7. Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược K G K nên độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian n n J3 p này có thể coi như một tụ điện có điện dung CJ2. Khi có điện áp biến thiên với J2 + tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có n giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng nJ1 p điều khiển. Kết quả là tiristo có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. Tốc độ tăng điện áp là một thông A số phân biệt tiristo tần số thấp với các Hình 1.7. Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển tiristo tần số cao. Ở tiristo tần số thấp dU dt vào khoảng 50 đến 200 V s ; với các tiristo tần số cao dU dt có thể đạt 500 đến 2000 V s . dI (A / s) dt Khi tiristo bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt tiristo tần số thấp, có dI dt cỡ 50-100 /s, với các tiristo có tần số cao với dI dt cỡ 500-2000 /s. Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng trị số nhỏ. Cuộn kháng có thể có lõi không khí hoặc lõi ferit. Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạo các điện kháng giá trị khác nhau tuỳ theo số lượng xuyến sử dụng. Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng; khi dòng điện lớn. cuộn kháng bị bão hoà, điện cảm giảm gần như bằng không. Như vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn. 5. Tốc độ tăng dòng cho phép, 7 1.3 TRIAC Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc p-n-p-n như ở tiristo theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2 như được thể hiện trên hình 1.8a. Triac có ký hiện trên sơ đồ như hình 1.8b, có thể dẫn dòng theo cả hai chiều T1 và T2. Về nguyên tắc, triac hoàn toàn có thể coi tương đương với hai tiristo đấu song song ngược như trên hình 1.8c. T2 p n G p n T2 n G n T1 T1 c) b) a) Hình 1.8. Triac: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu; c) Sơ đồ tương đương với hia tiristo song song ngược Đặc tính vôn-ampe của triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một tiristo như được biểu diễn trên hình 1.9a. i A Iv T2 I G 3 I G 2 I G1 R I dt G u 0 T1 u v. th u th. max b) a) Hình 1.9. a) Đặc tính vôn-ampe; b) Điều khiển triac bằng dòng điều khiển âm Triac có thể điều khiển mở dẫn dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi vào cực điều khiển) hoặc bằng xung dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng âm có độ nhạy kém hơn, tức là dòng chỉ có thể chạy qua triac khi điện áp giữa T1 và T2 phải lớn hơn một giá trị nhất định, lớn hơn khi dùng dòng điều khiển dương. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua triac, sử dụng xung điều khiển âm là tốt hơn cả. Nguyên lý thực hiện điều khiển bằng xugn dòng điều khiển âm được biểu diễn trên hình 1.9b. 8 Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các côngtắctơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ. 1.4 TIRISTO KHOÁ ĐƯỢC BẰNG CỰC ĐIỀU KHIỂN, GTO (GATE TURN-OFF THYISTOR) Tiristo thường, như được giới thiệu ở mục 1.3, được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ chỉnh lưu, từ công suất nhỏ vài kW đến công suất cực lớn, vài trăm MW. Đó là vì trong các sơ đồ chỉnh lưu, tiristo có thể khoá lại một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới, điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh bằng cách chủ động thay đổi thời điểm mở của các tiristo. Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp một chiều hoặc các bộ nghịch lưu, trong đó các van bán dẫn luôn bị đặt dưới điện áp một chiều thì điều kiện để khoá tự nhiên sẽ không còn nữa. Khi đó việc dùng các tiristo thường sẽ cần đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất phức tạp, gây tổn hao lớn về công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến đổi. Các GTO, như tên gọi của nó, nghĩa là khoá lại được bằng cực điều khiển, có khả năng về đóng cắt các dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như tiristo, là một van điều khiển hoàn toàn, có thể chủ động cả thời điểm khoá dưới tác động của tín hiệu điều khiển. Việc ứng dụng các GTO đã phát huy ưu điểm cơ bản của các phần tử bán dẫn, đó là khả năng đóng cắt dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ. Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với tiristo như được chỉ ra trên hình 1.10. Ký hiệu của GTO cũng chỉ ra tính chất điều khiển hoàn toàn của nó. Đó là dòng điện đi vào cực điều khiển để mở GTO, còn dòng điện đi ra khỏi cực điều khiển dùng để di chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, nghĩa là để khoá GTO lại. A + p n + p + n + + + p n p J1 n n+ G p n+ K A + J2 n+ a) J3 G K b) Hình 1.10. GTO: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anôt được bổ sung các lớp n+. Dấu (+) ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc điện tử, được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này. Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp n+ của catôt. Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anôt có điện áp dương hơn so với catôt thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của tiristo. Tuy nhiên nếu catôt có điện áp dương hơn so với anôt thì tiếp giáp p +-n ở sát anôt sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu được điện áp ngược. GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở tiristo thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở GTO cao hơn ở tiristo thường. Do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì. Giống như ở tiristo thường, sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn tác dụng. Như vậy có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể. 9 Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di chuyển từ catôt, vùng n+, đến anôt, vùng p+, tạo nên dòng anôt. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anôt và vùng n+ của catôt. Kết quả là dòng anôt sẽ bị giảm cho đến khi về đến không. Dòng điều khiển được suy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá. 1.5 TRANZITO CÔNG SUẤT, BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANZITOR) 1.5.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của BJT Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p (bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược), tạo nên hai tiếp giáp p-n. Cấu trúc này thường được gọi là Bipolar Junction Tranzitor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương. Tranzito có ba cực: Bazơ (B), colectơ (C) và emitơ (E). BJT công suất thường là loại bóng ngược. Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công n- a) b) Hình 1.11. BJT: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu suất được biểu diễn trên hình 1.11, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B-C và do đó của C-E. Trong chế độ tuyến tính, hay còn gọi là chế độ khuếch đại, tranzito là phần tử khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC bằng  lần dòng bazơ (dòng điều khiển), trong đó  được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện. IC = .IB Tuy nhiên, trong điện tử công suất, tranzito chỉ được sử dụng như một phần tử khoá. Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện: I I I B  C hay I B  k bh C   trong đó kbh = 1,2  1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi đó tranzito sẽ ở trong chế độ bão hoà với điện áp giữa colectơ và emitơ rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5 V, gọi là điện áp bão hoà, UCE.bh. Khi khoá, dòng điều khiển IB bằng không, lúc đó dòng colectơ gần bằng không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với tranzito. Tổn hao công suất trên tranzito bằng tích dòng điện colectơ với điện áp rơi trên colectơ-emitơ, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá. Trong cấu trúc bán dẫn của BJT ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều bị phân cực ngược. Điện áp đặt giữa colectơ-emitơ sẽ rơi chủ yếu trên vùng trở kháng cao của tiếp giáp p-n -. Độ dày và mật độ điện tích của lớp n - xác định khả năng chịu điện áp của cấu trúc BJT. Tranzito ở chế độ tuyến tính nếu tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược. Trong chế độ tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ sẽ kích thích các điện tử từ tiếp giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, tại đây chúng được 10 trung hoà hết, kết quả là tốc độ trung hoà quyết định dòng colectơ tỷ lệ với dòng bazơ, IC = .IB. Tranzito ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Các điện tử sẽ thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ cả hai tiếp giáp B-E và B-C, và nếu các điện tích dương được đưa vào cực bazơ có số lượng dư thừa thì các điện tích sẽ không bị trung hoà hết, kết quả là vùng bazơ có điện trở nhỏ, dòng điện có thể chạy qua. Cũng do tốc độ trung hoà điện tích không kịp nên tranzito không còn khả năng khống chế dòng điện được nữa và giá trị dòng điện sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết định. Đó là chế độ mở bão hoà. 1.5.2 Đặc tính đóng cắt của tranzito u B (t ) U B1 + Un C BC uB (t ) RB U B1 B i B (t ) U B2 C BE a) Rt i C (t ) C E UB2 0,7V u BE ( t ) U B2 i B1 (t ) i B (t ) i B2 (t ) u CE (t ) + Un I C . bh i C (t ) b) Hình 1.12. Quá trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dòng điện, điện áp Chế độ đóng cắt của tranzito phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC. Ta phân tích quá trình đóng cắt của một tranzito qua sơ đồ khoá trên hình 1.12a, trong đó tranzito đóng cắt một tải thuần trở Rt dưới điện áp +Un điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -UB2 đến +UB1 và ngược lại. Dạng sóng dòng điện, điện áp cho trên hình 1.12b. 1. Quá trình mở Theo đồ thị hình 1.12b, trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ khoá với điện áp ngược –UB2 đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt đầu từ khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức +UB1. Trong khoảng (2), tụ đầu vào, giá trị tương đương bằng Cin = CBE + CBC, nạp điện từ điện áp -UB2 đến +UB1. Khi UBE còn nhỏ hơn không, chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE. Tụ Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U * của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện áp rơi trên điôt theo chiều thuận, thì quá trình nạp kết thúc. Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị không ở đầu giai đoạn (3). Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, td(on) của BJT. 11 Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng colêctơ. Các điện tử thoát ra khỏi colêctơ càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitơ. Quá trình tăng dòng IC, IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazơ đã tích luỹ đủ lượng điện tích dư thừa ∆QB mà tốc độ tự trung hoà của chúng đảm bảo một dòng bazơ không đổi: I B1  U B1 - U * RB Tại điểm cộng dòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.12a, ta có: I B1  i C.BE  i C.BC  i B Trong đó: iC.BE là dòng nạp của tụ CBE, iC.BC là dòng nạp của tụ CBC, iB là dòng đầu vào của tranzito, iC = β.iB. Dòng colectơ tăng dần theo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là IC(∞) = β.IB1. Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dòng IC đã đạt đến giá trị bão hoà, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC = β.iB không còn tác dụng nữa. Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Vì khoá làm việc với tải trở trên colectơ nên điện áp trên colectơ - emitơ UCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC. Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn. Trong khoảng (4), điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà cuối cùng, xác định bởi biểu thức: UCE.bh = Un – IC.bh.Rt Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n - và phụ thuộc cấu tạo của BJT. Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hoà. 2. Quá trình khoá BJT Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hào, điện tích tích tụ không chỉ trong lớp bazơ mà cả trong lớp colectơ. Tuy nhiên những biến đổi bên ngoài hầu như không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khoá. Khi điện áp điều khiển thay đổi từ +UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6), điện tích tích luỹ trong lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức được. Dòng IB ngay lập tức sẽ có giá trị: I B2  U B2  U * RB Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi IB2. Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp giáp bazơ - colectơ giảm về bằng không và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị phân cực ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá, td(off). Trong khoảng (7), dòng colectơ IC bắt đầu giảm về không, điện áp UCE sẽ tăng dần tới giá trị +Un. Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ 12 lệ với dòng bazơ. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngược, bằng –Un. Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại điểm cộng dòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.12a, ta có: IB2 = iC.BC - iB trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là đòng đầu vào của tranzito. Từ đó có thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn được thực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược. Đến cuối khoảng (7) tranzito mới khoá lại hoàn toàn. Trong khoảng (8), tụ bazơ - emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2. Tranzito ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9). 1.6 TRANZITO TRƯỜNG, MOSFET (METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANZITOR) 1.6.1 Cấu tạo của MOSFET Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ. Hình 1.13 thể hiện cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của một MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn đioxit-silic (SiO2). Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực D n p n n p n G n n - b) S a) Hình 1.13. MOSFET (kênh dẫn n): a) Cấu t rúc bán dẫn; b) Ký hiệu máng là cực đón các hạt mang điện. Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ là các điện tử (eletron), do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực gốc. Trên ký hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S chỉ ra rằng trong điều kiện bình thường không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và S. Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại. Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n. n a) p n 13 p n Vùng nghèo điện tích nn n b) p n Kênh dẫn 1.6.2. Nguyên lý hoạt động của MOSFET Hình 1.14 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Trong chế độ làm việc bình thường u DS > 0. Giả sử điện áp giữa cực điều khiển và cực gốc bằng không, uDS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuất hiện. Giữa cực gốc và cực máng sẽ là tiếp giáp p-n - phân cực ngược. Điện áp uDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo của tiếp giáp này (hình 1.14a). n n c) p n p n nn n n Điôt trong p n nn Hình 1.14. Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET Nếu điện áp điều khiển âm, UGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thể xuất hiện. Khi điện áp điều khiển là dương, UGS > 0, và đủ lớn, bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành (hình 1.14b). Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với cấu trúc của BJT, IGBT, tiristo là các phần tử với các hạt mang điện phi cơ bản. Dòng điện giữa cực gốc và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện áp UDS. Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.14c), có thể thấy rằng giữa cực máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n-, tương đương với một điôt ngược nối giữa D và S. Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các điôt ngược mắc song song với các van bán dẫn. Như vậy ưu điểm của MOSFET là đã có sẵn một điôt nội tại như vậy. 1.7 TRANZITO CÓ CỰC ĐIỀU KHIỂN CÁCH LY, IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzitor) IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của tranzito thường. Về mặt điều khiển, IGBT gần như giống hoàn toàn MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ. Hình 1.15 giới thiệu cấu trúc bán dẫn của một IGBT. Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp p nối với colectơ tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emitơ (tương tự cực gốc) với colectơ (tương tự cực máng), không phải là n-n như ở MOSFET (hình 1.29b). Có thể coi IGBT tương đương với một tranzito p-n-p với dòng bazơ được điều khiển bởi một MOSFET (hình 1.15b và c). Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển về phía colectơ vượt qua lớp tiếp giáp n--p như ở cấu trúc giữa bazơ và colectơ ở tranzito thường, tạo nên dòng colectơ. n p n n p n n p n n n+ p n+ p p n i1 i2 HÌnh 1.15. IGBT: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Cấu trúc tương đương với một tranzito n-p-n và một MOSFET; c) Sơ đồ thương đương; d) Ký hiệu 1.8 TỔN HAO CÔNG SUẤT TRÊN CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT Ngoài tổn thất do mạch điều khiển sinh ra đã đề cập đến ở những phần tử cụ thể nói trên, ta sẽ phân tích các thành phần tổn thất trong các chế độ làm việc của van sau đây. 14 1.8.1 Tổn thất trong chế độ tĩnh, đang dẫn dòng hoặc đang khoá Khi phần tử đang ở trong chế độ dẫn dòng hoặc đang khoá, tổn hao công suất bằng tích của dòng điện qua phần tử với điện áp rơi trên nó. Khi phần tử đang khoá, điện áp trên nó có thể lớn nhưng dòng rò qua van sẽ có giá trị rất nhỏ, vì vậy tổn hao công suất có thể bỏ qua. Tổn hao công suất trong chế độ tĩnh chủ yếu sinh ra khi van dẫn dòng. Với đa số các phần tử bán dẫn, điện áp rơi trên van thường không đổi, ít phụ thuộc vào giá trị dòng điện chạy qua. Như vậy có thể dễ dàng xác định được tổn hao công suất trong trạng thái van dẫn. 1.8.2 Tổn thất trong quá trình đóng cắt Trong quá trình đóng cắt, công suất tổn hao tức thời có thể có giá trị lớn vì dòng điện và điện áp rơi trên van đều có thể có giá trị lớn đồng thời. Nói chung, thời gian đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong cả chu kỳ hoạt động của phần tử nên tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong công suất tổn hao trung bình. Tuy nhiên phần tử phải làm việc với tần số đóng cắt cao thì tổn hao do đóng cắt lại chiếm một phần chính trong công suất phát nhiệt. Xác định tổn hao trong chế độ đóng cắt là một nhiệm vụ không đơn giản, vì phải phân biệt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt, do đó ảnh hưởng đến tổn hao công suất. 1.9 SO SÁNH TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT Hình 1.16. So sánh tương đối giữa các phần tử bán dẫn Có thể so sánh một cách tương đối các phân tử bán dẫn công suất theo khả năng đóng cắt về công suất (điện áp và dòng điện) và tần số đóng cắt để thấy được phạm vi ứng dụng của các phần tử khác nhau. Hình 1.16 mô tả sự so sánh tương đối này. Tiristo là những phần tử được chế tạo cho khả năng đóng cắt về công suất lớn nhất. Những tiristo lớn nhất có điện áp chịu được đến 4500V, dòng điện tối đa đến 4000A. Phạm vi hoạt động về tần số đối với tiristo lại là thấp nhất vì thời gian trễ đóng mở của cấu trúc p-n-p-n tương đối lớn, trễ khi mở cỡ 5s, trễ khi khoá cỡ 10 đến 200 s. Vì vậy các tiristo được ứng dụng chủ yếu trong các sơ đồ chỉnh lưu, trong đó các khoá sẽ chuyển mạch tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới với tần số 50 – 60 Hz.Tiristo là phần tử điều khiển không hoàn toàn, có thể điều khiển mở bằng cực điều khiển nhưng không thể khoá lại được. GTO là bước cải tiến đáng kể về công nghệ chế tạo của tiristo. GTO có khả năng đóng cắt về công suất thấp hơn so với tiristo nhưng phạm vi hoạt động về tần số thì lại 15 cao hơn. Do có khả năng khoá lại bằng cực điều khiển nên thời gian trễ khi khoá được rút ngắn lại một cách đáng kể so với tiristo. GTO được ứng dụng trong các sơ đồ nghịch lưu với công suất trung bình và tần số trung bình. Việc ứng dụng các GTO đã dẫn đến công suất của các bộ biến tần được chế tạo ngày càng lớn. Tranzito và IGBT là những phần từ bán dẫn được ứng dụng với những phạm vi công suất nhỏ nhưng yêu cầu tần số làm việc cao. Đặc biệt là các IGBT đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi và thay thế dần các tranzito thường. Với công suất điều khiển yêu cầu rất nhỏ việc sử dụng IGBT làm đơn giản đáng kể thiết kế của các bộ biến đổi và làm cho kích thước của hệ thống điều khiển này ngày càng thu nhỏ. Với ưu thế tuyệt đối về thời gian đóng cắt cực nhỏ (cỡ 0,5 đến 1 s) các MOSFET chiếm ưu thế tuyệt đối cho các ứng dụng yêu cầu tần số đóng cắt rất cao (đến vài trăm kHz) nhưng công suất tương đối nhỏ, ví dụ như các bộ nguồn xung cho máy tính PC. 16 CHƯƠNG 2 CHỈNH LƯU 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành năng lượng dòng một chiều. Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như trên hình 2.1. P~ P~ P P U1~ U 2~ U d , Id U d , Id Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ có máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là: a) Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tải. Tuỳ theo yêu cầu của tải mà máy biến áp có thể là tăng áp hoặc giảm áp. b) Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van. Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van có thể cần số pha là 6, 12… Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp. Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu. Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu. 2.1.2 Phân loại Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: 1. Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, 6 pha v.v. 2. Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van: Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là điôt và tiristo, vì thế có ba loại mạch sau: - Mạch van dùng toàn điôt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển. - Mạch van dùng toàn tiristo, gọi là chỉnh lưu điều khiển. - Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điôt và tiristo, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển. 3. Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau. Có hai kiểu mắc van: a) Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho mạch van. Tất cả các van đều mắc chung một đầu nào đó với nhau hoặc catôt chung, hoặc anôt chung. b) Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van. Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia lại mắc chung nhau anôt. 17 Như vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu, người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thể mạch đó. Thí dụ: chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa là mạch chỉnh lưu này dùng kiểu măc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van là ba pha, và dùng 6 van có cả điôt và tiristo. 2.1.3 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu Các tham số này dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặc thiết kế mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm thông số chính như dưới đây: 1. Về phía tải Ud – giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu: Ud  1T 1 2 u ( t ) dt  u d ()d d T 0 2 0 (2.1) Id – giá trị trung bình của dòng điện từ mạch van cấp ra: 1 2 Id  i d ()d 2 0 (2.2) Pd = Ud.Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu. 2. Về phía van Itbv – giá trị trung bình của dòng điện chảy qua 1 van của mạch van. Ung.max – điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc. Đây là hai tham số giúp việc lựa chọn van phù hợp để không hỏng khi hoạt động trong mạch. 3. Về phía nguồn Thể hiện bằng công suất xoay chiều lấy từ lưới điện, thông thường sử dụng theo công suất biểu kiến của biến áp: S  S2 S ba  1 = ksđPd (2.3) 2 trong đó: S1  U1I1 (2.4) m S 2   U 2 i I 2i (2.5) i 1 ở đây các giá trị U1, I1, U2i, I2i là trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. Do phía thứ cấp có thể có nhiều cuộn dây, nên phải tổng cộng công suất của tất cả m cuộn dây. Để đánh giá khả năng biến đổi của công suất xoay chiều thành một chiều, công suất lấy từ lưới điện Sba được so sánh với công suất một chiều Pd mà tải nhận được qua hệ số ksđ. Hệ số này càng gần 1 càng chính tỏ mạch có hiệu suất biến đổi tốt hơn. Ngoài ba nhóm tham số trên còn có một tham số dùng để đánh giá sự bằng phẳng của điện áp một chiều nhận được, gọi là hệ số đập mạch kđm, được xác định theo biểu thức: U kđm= 1m U0 18 trong đó U1m là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh lưu và U0 là thành phần cơ bản cũng theo khai triển này. U0 cũng chính là giá trị điện áp trung bình của điện áp chỉnh lưu, tức là U0 = Ud . 2.1.4 Luật dẫn van Mạch van để thực hiện quá trình chỉnh lưu có khá nhiều, tuy nhiên chúng đều tuân theo hai kiểu mắc với nhau là mắc catôt chung và mắc anôt chung. Vì thế chỉ cần nhận biết hai quy luật dẫn này, ta có thể phân tích toàn bộ các mạch chỉnh lưu có trong thực tế.  A1 A2  An D1 D2  K1  KC K2 Dn  Kn D1 D2  AC Dn Hình 2.2: a) Van đấu catôt chung; b) Van đấu anôt chung 1. Nhóm van đấu catôt chung Hình 2.2a là mạch van khi tất cả các điôt có catôt đấu với nhau. Luật dẫn của nó được phát biểu như sau: Van có khả năng dẫn là van có điện thế anôt của nó dương nhất trong nhóm, tuy nhiên nó chỉ dẫn được nếu điện thế anôt này dương hơn điện thế ở điểm catôt chung KC. Thí dụ, ở thời điểm hiện tại ta có: A1 > A2 > A3 > … > An và đồng thời A1 > KC thì van D1 sẽ dẫn. Lúc đó nếu coi sụt áp trên van bằng 0 thì khi D1 dẫn ta thấy KC = A1. Điều này dẫn đến điện áp trên các van còn lại sẽ âm: AK2 = A2 - KC = A2 - A1 < 0 ………………………………… AKn = An - KC = An - A1 < 0 Như vậy các van còn lại sẽ phải khoá không dẫn được. 2. Nhóm van đấu anôt chung Ở nhóm van đấu anôt chung (hình 2.2b) có luật dẫn van sau: Van có khả năng dẫn là van có điện thế catôt âm nhất trong nhóm, nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âm hơn điện thế anôt chung AC. Trong chương này sẽ áp dụng hai luật dẫn trên để phân tích các mạch chỉnh lưu thông dụng, trong đó sẽ coi các van là lý tưởng, như vậy khi dẫn sụt áp trên van bằng không (uAK = 0). 2.2 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN Số lượng các mạch chỉnh lưu khá nhiều, song chủ yếu là một số mạch chính được gọi là mạch cơ bản. Những mạch này được xác định các tham số với mạch dùng van là điôt và tải thuần trở. 2.2.1 Chỉnh lưu một pha 19 1. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ Mạch van chỉ có một van duy nhất là điôt D (hình 2.3). Ở nửa chu kỳ đầu (0) khi điện áp đặt vào mạch van u2 > 0 với cực tính dương ở trên thì điôt D dẫn. Vì với UD = 0 nên có ud  u2. Ở nửa chu kỳ sau (  2) điện áp u2 đảo dấu (cực tính trong ngoặc trên sơ đồ) nên điôt D khoá, vì thế u d = 0. D i2 u2 id u1 ud u2 2   Rd ud a)  D khoá D dẫn Hình 2.3 b) Như vậy điện áp chỉnh lưu nhận được trên tải là: Ud  1 2 1 2 2 u (  ) d   2U 2 sin d  U 2  0,45U 2 d   2 0 2 0  (2.6) Vì tải thuần trở nên: Id  Ud R (2.7) Theo mạch ta thấy dòng qua van chính là dòng qua tải và dòng chảy qua cuộn thứ cấp biến áp, vì vậy Itbv = Id. Điện áp ngược trên van chỉ xuất hiện khi van khoá, tức là trong khoảng (  2). Theo sơ đồ lúc đó uAK = u 2, do đó điện áp ngược trên van Ungmax = 2 U 2 . Một số tham số khác của mạch chỉnh lưu này xem trong bảng 2.1. Nhìn chung, mạch chỉnh lưu này có các chỉ tiêu kỹ thuật kém nên chỉ thích hợp với tải nhỏ (đến một vài ampe). 2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm giữa (chỉnh lưu hình tia hai pha) Biến áp có điểm giữa biến điệp áp sơ cấp u1 thành hai điện áp ngược pha nhau 1800 ở thứ cấp u '2 và u '2' . Ở mạch van này các điôt D1, D2 đấu theo kiểu catôt chung, vì vậy chúng sẽ làm việc theo luật dẫn 1 trong đó anôt của điôt D1 nối với u '2 , còn anôt của D2 nối với điện áp u '2' . Vì vậy trong khoảng từ (0), điôt D1 dẫn do u '2 > u '2' ; còn trong khoảng (  2) thì D2 dẫn do u '2' > u '2 . Do vậy điện áp chỉnh lưu u d sẽ có dạng ở hình 2.4b với: ud = u '2 ở 0 ud = u '2' ở   2 20